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The novel chloroplast outer membrane kinase KOC1 is a required component of the plastid protein import machinery
Auteur(s)
Zufferey-Arias, Mónica Alexandra
Editeur(s)
Date de parution
2017
Mots-clés
Résumé
Le chloroplaste est un organite essentiel de la cellule végétale, il est le siège de la photosynthèse. Un événement d’endosymbiose est à l’origine du chloroplaste : une cellule eucaryote primitive a ingéré une cyanobactérie photosynthétique. Pendant l’évolution, la majorité des gènes du chloroplaste primitif ont été transférés vers le noyau. Les protéines issues des gènes transférés avec succès, sont maintenant synthétisées par des ribosomes dans le cytosol et importées dans les chloroplastes. Les protéines destinées au chloroplaste (pré-protéines) acquièrent une séquence additionnelle clivable codant pour un peptide à l’extrémité N-terminal (séquence d’adressage). La séquence d’adressage est reconnue par la machinerie d’importation du chloroplaste qui initie le transport des pré-protéines. La machinerie d’importation consiste en un translocon situé dans la membrane externe/interne du chloroplaste (TOC/TIC) (Translocon at the Outer/Inner membrane of Chloroplast). L’importation de centaines de différentes protéines dépend des complexes TOC et TIC. Le noyau du complexe TOC est composé de trois protéines, les récepteurs GTPase Toc159 et Toc34 ainsi que le canal Toc75. Ensemble ils reconnaissent et transfèrent les pré-protéines à travers la membrane externe du chloroplaste. Toc34 et Toc159 qui sont exposés à la surface du chloroplaste, fonctionnent en tant que récepteurs et ont des domaines G (GTP-binding) homologues. En plus du domaine G, Toc159 possède le domaine A (acide) à l’extrémité N-terminal qui s’étend dans le cytosol et contrôle la spécificité du récepteur, et le domaine M à l’extrémité C-terminal qui ancre la protéine à la membrane. Toc75 appartient à la famille OMP85, protéines de la membrane externe des bactéries gram négatives. Dans les chloroplastes elles ont évolué pour fournir un canal de translocation de protéines à travers la membrane externe. <br> Toc159 joue un rôle essentiel dans la biogenèse du chloroplaste. Les bases de données de phosphoprotéomique montrent que le domaine A de Toc159 est fortement phosphorylé. La protéine cytosolique caséine kinase II phosphoryle le domaine A <i>in vitro</i>. Toutefois d’autres kinases ayant la même fonction ont aussi été prédites. Tandis que la phosphorylation contrôle l’assemblage et l’activité des complexes d’importation de protéines dans les chloroplastes et les mitochondries, aucune kinase organite-spécifique n’a été identifiée jusqu’à présent. Par co-purification avec Toc159, nous avons découvert une protéine kinase dans la membrane externe du chloroplaste (KOC1 « Kinase at the Outer Chloroplast membrane 1 »). KOC1 est une protéine intégrale de membrane orientée vers le cytosol et associée de manière stable avec le complexe TOC. KOC1 phosphoryle le domaine A chez les membres de la famille Toc159 <i>in vitro</i>. Dans les chloroplastes des mutants <i>koc1</i>, l’efficience de l’importation des protéines a été réduite. Par ailleurs, les plantules <i>koc1</i> ont un taux de survie réduit quand elles sont déplacées de l’obscurité à la lumière, quand une importation rapide des pré-protéines est nécessaire pour une biogenèse de chloroplastes complète. Nos résultats indiquent que KOC1 est un composant de la machinerie d’importation TOC en phosphorylant les récepteurs, en soutenant l’importation de pré-protéines et en contribuant à une biogenèse de chloroplastes efficiente., The chloroplast constitutes the site of photosynthesis and is an essential organelle in plant cells. An endosymbiotic event was at the origin of the chloroplast, an ancestral eukaryotic cell engulfing a photosynthetic cyanobacterium. During evolution, the majority of ancestral chloroplast genes were lost or transferred to the nucleus. The protein products of the successfully transferred genes are now synthesized by cytosolic ribosomes and imported into the chloroplast. The chloroplast destined proteins (preproteins) acquired an additional sequence that encodes a cleavable N-terminal targeting peptide (transit peptides). The transit peptide is recognized by the chloroplast import machinery, which initiates import. The import machinery consists of translocon complexes at the outer (TOC) and inner membrane of the chloroplast (TIC). The import of hundreds of different chloroplast proteins depends on TOC and TIC complexes. The TOC complex core contains three proteins, the GTPase receptors: Toc159, Toc34 and the channel Toc75, together they recognize and transfer the pre-proteins across the outer membrane of the chloroplast. Both Toc34 and Toc159 are exposed at the surface of the chloroplast, consistent with a receptor function, and have homologous GTP-binding domains (G-domain). In addition to the G-domain, Toc159 has a N-terminal A- (acidic) domain that extends into the cytosol and controls receptor specificity and a C-terminal membrane anchoring M-domain. Toc75 belongs to the OMP85 family that serves to integrate proteins into the outer membrane of gram negative bacteria, in chloroplasts it has evolved to provide a protein translocation channel across the outer membrane.<br> Toc159 plays an essential role in chloroplast biogenesis. Phosphoproteomics databases show that Toc159 is highly phosphorylated at the A domain. Cytosolic casein kinase II phosphorylates the A-domain <i>in vitro</i>, however other A-domain kinases have been predicted.<br> While phosphorylation controls assembly and activity of protein import complexes in both mitochondria and chloroplasts no organelle-specific kinases have been identified so far. By co-purification with Toc159, we discovered "Kinase at the Outer Chloroplast membrane 1" (KOC1). KOC1 is an integral membrane protein facing the cytosol and stably associating with TOC. KOC1 phosphorylated the A-domain of Toc159 family members <i>in vitro</i>. In mutant <i>koc1</i> chloroplasts preprotein import efficiency was diminished. Moreover, <i>koc1</i> seedlings had reduced survival rates when moved from the dark to the light when protein import is required to rapidly complete chloroplast biogenesis. Our data indicate that KOC1 is a functional component of the TOC machinery phosphorylating import receptors, supporting preprotein import and contributing to efficient chloroplast biogenesis.
Notes
Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2017
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Type de publication
doctoral thesis
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